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Le CEA sur le télescope spatial James Webb : vers l’infini et au-delà !


Le 22 décembre 2021, le télescope spatial James Webb, le plus puissant jamais construit, sera lancé par une fusée Ariane depuis Kourou, en Guyane. Développé par la NASA en coopération avec l’Agence Spatiale Européenne (ESA) et l’Agence Spatiale Canadienne (ASC), il observera l’Univers dans l’infrarouge. À son bord, quatre instruments dont l’instrument Miri. Son imageur, Mirim, a été développé sous maîtrise d’œuvre du CEA. Entretien avec Pierre-Olivier Lagage, responsable scientifique et Co-PI (premier investigateur associé) pour la France de l’instrument, impliqué dans le projet depuis 1998.

Publié le 28 octobre 2021

Qu’espérons-nous découvrir avec le télescope spatial James Webb ?

Webb est amené à remplacer les télescopes spatiaux Hubble et Spitzer, respectivement lancés en 1990 et 2003. Tandis que la sensibilité limitée dans le domaine de l’infrarouge de Hubble l’empêchait de voir plus loin que 500 millions d’années après le Big-Bang, Webb sera capable de voir des galaxies jusqu’à 200 millions d’années après la naissance de l’Univers. Il aura également une résolution angulaire sept fois plus grande que Spitzer et une sensibilité cinquante fois supérieure.

Au CEA, grâce à ces nouvelles capacités et au temps garanti dont nous disposons, nous comptons sur ce télescope pour principalement observer plusieurs systèmes planétaires, un domaine dans lequel nous étions jusqu’ici peu présents. L’objectif est notamment de caractériser l’atmosphère d’exoplanètes rocheuses, comme Trappist-1b. C’est un premier pas vers des études poussées autour de la recherche de signes de vie.

Le CEA fournit sur ce télescope l'imageur Mirim ; pourquoi ?

Miri sera le seul instrument du télescope spatial à travailler dans l’infrarouge moyen, entre 5 et 30 microns. Il est formé d’un spectrographe, MRS (MIRI medium-resolution spectrometer), et d’un imageur, Mirim. Le CEA a acquis une expertise étendue dans ce domaine de l'infrarouge moyen, tout d’abord avec la réalisation d’Isocam, la première caméra infrarouge spatiale, installée sur le satellite Iso, en fonctionnement entre 1995 et 1998. Le CEA a ensuite développé et livré l’instrument Visir, une caméra infrarouge installée sur le télescope VLT (Very Large Telescope) de l’Observatoire européen austral (ESO) au Chili.
Ces deux instruments nous ont donné une expertise unique au monde, qui nous a aidé à proposer Miri à la NASA et à l’Agence spatiale européenne puis à obtenir son développement. Aujourd’hui, nous travaillons aussi sur le spectro-imageur Metis, qui sera installé sur le futur télescope géant E-ELT (European Extremely Large Telescope) de l’ESO.

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Modèle de vol de Mirim en intégration à Saclay, en 2007. Crédits L. Godart / CEA

En tant que maître d’œuvre de Mirim, nous avons conçu l’instrument, l’avons assemblé puis testé. Mais nous avons aussi réalisé directement la structure mécanique et la roue à filtre, tandis que les partenaires que nous coordonnions ont fourni les autres « briques ». En France, le Lesia, l’IAS et le Lam ont ainsi participé au projet.
Nous avons aussi mis en place un centre d’expertise pour accompagner les chercheurs dans leurs demandes d’observation et dans le traitement des données issues de Miri, aux caractéristiques techniques particulières. Ce centre d’expertise surnommé Mice (Miri center of expertise) accompagnera les astrophysiciens souhaitant utiliser les capacités observationnelles de Miri.

Comment fonctionne Mirim ?

Mirim propose trois modes d’observation : « imagerie » pour photographier le ciel, « spectrographie » pour décomposer la lumière et y trouver la signature d’éléments et de molécules cosmiques, et « coronographie » pour « éteindre » la lumière d’une source très lumineuse, que ce soit une étoile ou un noyau de galaxie, dans le but de mieux observer son voisinage.

C’était un défi d’avoir un concept optique qui permettait d’avoir ces 3 modes avec un seul mécanisme ! Pour assurer ces fonctions, nous avons conçu Mirim autour d’une roue à filtre, qui permet de choisir entre 15 traitements de la lumière reçue par le télescope spatial James Webb.
Dix filtres à bande passante large sont ainsi disponibles pour l’imagerie classique, 4 filtres pour la coronographie et un prisme double pour le spectrographe basse résolution. Les coronographes, fournis par le Lesia, sont d'une technologie qui n'a jamais volé jusqu'ici, appelée 4QPM (Four-Quadrants Phase Masks). Elle permet par exemple d'atténuer le flux d'une étoile pour observer ses exoplanètes, même si la séparation angulaire entre elles est très petite.

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